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Einsatzlaufbüchse mit dieselbe umgebender Hülse für Kolbenmotoren
Die Erfindung betrifft eine für Kolbenmotoren, insbesondere Verbrennungsmotoren,
bestimmte, Einsatzlaufbüchse, deren oberer Bund einerseits zwischen dem . Zylinderkopf
und andererseits zwischen einer die Büchse umgebenden und sich federnd am Zylinderblock
abstützenden Hülse eingespannt ist.
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Die Vermeidung der gefürchteten Verformung insbesondere nasser Laufbüchsen
im Betrieb bereitet Schwierigkeiten. Man läßt die Laufbüchsen bei bekannten Ausführungen
mit einem Bund auf der entsprechend ausgedrehten Kopfplatte des Gehäuses aufliegen
und führt sie an ihrem unteren Ende im Kurbelgehäuse in einer Hülse, die mit Gummiringen
versehen ist. Die Gummiringe dienen zur Abdichtung gegen Kühlwasser und Öl. Der
Zylinderkopf drückt auf den Bund der Büchse, bzw. auf die Zylinderkopfdichtung,
mit einem Druck von 3oo bis 5oo kg je cm2, damit auf diese Weise eine genügende
Dichtheit erreicht werde. Dieser hohe Dichtungsdruck wird durch die möglichst gleichmäßig
verteilten Zylinderkopfschrauben erzeugt. Es zeigt sich nun aber, daß selbst bei
symmetrischem Schraubenbild örtlich ein stark wechselnder Anpreßdruck an der Dichtfläche
auftritt, der in unmittelbarer Nähe der Zylinderkopfschrauben sehr viel 'höher ist
als in den Zwischenräumen zwischen diesen, da sowohl der Zylinderkopf als auch die
obere Kopfplatte des Blockes nicht so steif gemacht werden können, daß die gewünschte
gleichmäßige
Verteilung der Dichtungskraft gewährleistet ist. Die Laufbüchse ist bei den bekannten
Ausführungen aus diesem Grunde mit einem stark wechselnden Dichtungsdruck belastet,
der Verformungen der Bohrung nicht vermeiden läßt. Die dadurch entstehende UnTundheit
der Kolbenlauffläche hat Gasundichtigkeiten der Kolbenringe und erhöhten Ölverbrauch
zur Folge. Bei dieser bekannten Anordnung läßt ferner auch die Kühlung der Laufbüchse
zu wünschen übrig, da die letztere in der Regel direkt mit dem Kühlmittel, vorzugsweise
Wasser, in Berührung steht, was bei Kondensationserscheinungen leicht zu Korrosionen
an der Laufbüchse führen kann.
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Man hat zwar schon vorgeschlagen, im oberen, dem Zylinderkopf zunächst
liegenden Zylinderabschnitt zwischen Laufbüchse und Zylindermantel ein elastisches
Zwischenglied beispielsweise in Gestalt eines die Laufbüchse umgebenden Hülsenspannbügels
einzusetzen, wodurch der Anpreßdruck vom Zylinderkopf her auf den gesamten Zylinderumfang
verteilt werden soll und zugleich eine bessere Abdichtung bei gleichzeitiger Ausschaltung
von Deformationen des Zylinders angestrebt wird. Dieser Hülsenspannbügel, der sich,
von der Laufbüchse aus gesehen, bogenförmig nach auswärts wölbt, liegt nur mit zwei
rundlaufenden Auflageflächen auf der Laufbüchsenwandung auf und erstreckt sich vom
Zylinderdeckel aus nur über etwa ein Drittel der Laufbüchsenlänge; der Bund der
Laufbüchse ist dabei gegenüber dem Zylinderdeckel frei liegend angeordnet und dient
als obereAbstützung des Hülsenspannbügels, dessen unteres Ende gegen einen flanschartigen
Vorsprung des Gehäusemantels abgestützt ist. Diese bekannte Anordnung hat aber den
Nachteil, daß erstens leicht Biegungsmomente in der Laufbüchse wirksam werden und
daß zweitens das Kühlmittel die Laufbüchse wie bei den. übrigen bekannten Konstruktionen
unmittelbar umspült. Eine solche Konstruktion ist auch insofern als unzweckmäßig
anzusehen, als durch den am Gehäusemantel vorgesehenen flanschartigen Vorsprung,
der als zusätzliche Versteifung am Kurbelgehäuse für die untere Auflage des Hülsenspannbügels
notwendig ist, der dieLaufbüchse umgebende Kühlwasserraum unterteilt und dadurch
die Zirkulation des Kühlwassers gehemmt und in ungleicher Weise verteilt wird.
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Demgegenüber bezieht sich die Erfindung auf eine für Kolbenmotoren,
insbesondere Verbrennungsmotoren, bestimmte Einsatzlaufbüchse, deren oberer Bund
einerseits zwischen dem Zylinderkopf und andererseits zwischen einer die Büchse
umgebenden und sich federnd am Zylinderblock abstützenden Hülse eingespannt ist,
wobei die Erfindung darin besteht, daß die Hülse sich mit ihrer unteren Anlagefläche
gegen den zur Führung des unterenEndes derLaufbüchse dienendenFührungsbund abstützt.
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Ein wesentlicher Vorteil des Gegenstandes der Erfindung in mechanischer
Hinsicht besteht darin, daß kleine Bearbeitungsungenauigkeiten, die beispielsweise
den unteren Führungsbund nicht völlig zur oberen Führung der Büchse einmitten lassen
und allenfalls auch kleine Winkelabweichungen in der Parallelität zwischen den beiden
genannten Bohrungen hervorrufen, keine Verformung der Laufbüchse mehr bewirken,
da die Abstützung der Hülse gegen den Führungsbund einen Ausgleich 'hinsichtlich
der durch diese Bearbeitungsungenauigkeiten ungleichen Kräfte auf den Dichtungsflansch
ermöglicht. Auch ist bei der Erfindung der an früherer Stelle erwähnte flanschartige
Vorsprung am Gehäusemantel entbehrlich. Hieraus erklärt sich die Fassung des Patentanspruches
r.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt, abgesehen
von der Möglichkeit der Vermeidung einer unmittelbaren Berührung des Kühlwassers
mit der Laufbüchse und abgesehen davon, daß der Spannhülse eine größtmögliche federnde
Ausdehnungsmöglichkeit gegeben wird, darin, daß sie dabei als zylindrischer Körper
eine ausreichende Federung zur elastischen radialen Abstützung der Laufbüchse erhält.
Nur als zylindrischer Körper aber ist die Hülse als federndes Element in einer Größenordnung
herstellbar, welche etwa der Höhe des Kühlmantels entspricht, und mit Schiebesitz
auf der Laufbüchse aufschiebbar, wobei ein Kühlmittelumlau- außerhalb der Hülse
um diese herum erfolgt. Das Bauelement Laufbüchse und federnde Abstützhülse erhält
außerdem bei der erfindungsgemäßen Anordnung das für die Versteifung dieser Einheit
günstigste Wa.ndstärkenmaß.
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Die rohrförmige, auf die Laufbüchse aufgeschobene Feder ergibt eine
federnde Auflage zwischen dem Büchsenbund und dem Ring, in welchem die Gummiringe
am unteren Ende des Kühlraumes des Zylinderblockes geführt sind, wobei durch diese
Spannhülse die Laufbüchse gewissermaßen gegen den Zylinderkopf gepreßt wird, der
seinerseits durch die Zylinderkopfschrauben mit dem Gehäuse verbunden ist. Die Laufbüchse
ist dabei in sich völlig spannungslos, und der Federung der äußeren Hülse wegen
ändert sich die Dichtungsvorspannung nicht mehr in Abhängigkeit von den Kräften,
die durch die wechselnden Gasdrücke auf den Zylinderkopf ausgeübt werden. Während
die bekannten Anordnungen mit der Bundauflage unmittelbar in der Kopfplatte des
Blockes eine sehr starre Verbindung mit einem sehr kleinen Federungswert darstellen,
also kleine Verformungen große Kraftänderungen und damit Verformungsänderungen an
der Laufbüchse hervorrufen, hat die neue Anordnung einen sehr großen Federungswert,
und die kleinen Verformungen, die der Gasdruck zwischen Zylinderkopf und Blockoberteil
hervorruft, haben keinen Einfluß auf die auf der Dichtung liegenden Vorspannungskräfte,
und damit sind Verformungen der Laufbüchse vermieden. Dadurch, daß die Hülse sich,
im Schiebesitz an der Laufbüchse abstützen kann, erhält sie erst eine genügende
Formsteifigkeit. Hierbei ist zu bedenken, daß die Hülse mit ihrer Wandungsstärke
in der praktischen Größenordnung von etwa r mm liegen muß, damit sie eine ausreichende
Federung
hat. Ein derartig dünnes Wandungsrohr ist nur dann steif
und wirkt ohne einen Knickvorgang als Feder, wenn es eine Unterstützung durch die
Laufbüchse selbst erfährt.
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In wärmetechnischer Hinsicht ergibt sich durch das Merkmal, daß das
Kühlmittel außerhalb der um die Laufbüchse liegenden federnden Hülse fließen soll,
der Vorteil, daß die Temperatur der Laufbüchse gegenüber dem Kühlwasser erhöht wird,
indem die über die Laufbüchse geschobene federnde Hülse als Wärmeschutz dient. Dieser
Vorteil tritt besonders bei Kolbenmotoren, wie sie im Lastwagenbau verwendet werden,
günstig in Erscheinung. Die Kühlwassertemperatur bei diesen Kolbenmotoren kann normalerweise
10o° C nicht überschreiten. Zur Vermeidung von chemischer Abnützung infolge Kondensation
ist aber eine Wandungstemperatur von 12o bis 1q0° C am günstigsten. Mit der erfindungsgemäßen
Anordnung läßt sich diese Wandungstemperatur ohne Schwierigkeiten erreichen. Hierbei
wirkt natürlich die Hülse nur dann als Wärmeschutz, solange das Kühlwasser ungeeignet
niedrige Temperatur besitzt, da infolge des Wärmegefälles in der Hülse selbst und
des Wärmeübergangs zwischen Laufbüchse und Hülse das Gesamttemperaturgefälle zwischen
Innenwand und Laufbüchse und Außenwand der Hülse erhöht wird. Wenn andererseits
durch Erwärmung der Laufbüchse das Spiel zwischen Laufbüchse und federnder Hülse
infolge der dadurch bedingten Temperaturdehnung der ersteren kleiner wird, wird
der Wärmeübergang zwischen der Laufbüchse und der Hülse günstiger. Ein weiterer
Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß eine gleichmäßige Kühlung der Laufbüchse
von unten bis oben erreicht wird.
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Nun ist zwar bei Trockenlaufbüchsen die Anordnung eines Schiebesitzes
statt eines Preßsitze$ an sich bekannt. Bei einer vorgeschlagenen Anordnung dieser
Art ist die auswechselbare Zylinderbüchse durch Dichtringe gegenüber der Zylinderwandung
abgedichtet, weist jedoch im übrigen keine mit der Erfindung übereinstimmenden Merkmale
auf. Bei einer anderen bekannten Anordnung, die sich auf luftgekühlte Verbrennungsmotoren
bezieht, sind am Zylindermantel mehrere über dem Zylinderumfang verteilte Rohrhülsen
im Schiebesitz eingesetzt, gegen die sich der Zylinderkopf abstützen soll. Diese
einzelnen Rohrstützen ergeben eine durchaus ungleichmisßigeVerspannung der Laufbüchse,
und die bekannte Anordnung hat darüber hinaus mit der Erfindung keine weiteren Berührungspunkte.
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Die beim Gegenstand der Erfindung erwünschte Erhöhung der Wandtemperatur
der Zylinderlaufbüchse gelingt in einer hinsichtlich der Temperaturen viel enger
begrenzten Form, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zwischen
Hülse und Laufbüchse ein mit einer hochsiedenden Flüssigkeit gefüllter Zwischenraum
vorgesehen ist und ein Kühlmittelumlauf um die Hülse herum stattfindet. Die Kühlwassertemperatur
kann dann auf etwa 70° C bleiben, während sich dagegen die hochsiedende Flüssigkeit
infolge der obwaltenden Wärmeübergangsverhältnisse auf eine Temperatur von beispielsweise
12o° C einstellt. Auf diese Weise ist ohne die Komplikation einer Druckkühlung trotzdem
eine Heißkühlung der Zylinderlaufbüchse zu erreichen, wodurch den gefürchteten Korrosionsmöglichkeiten
entgegengewirkt wird.
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Auch bei Verwendung von Wasser als üblichem Kühlmittel lassen sich
günstige Kühlkreisläufe erzielen. Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform gemäß der
Erfindung ist das untere Ende der Hülse mit Bohrungen versehen, die den Raum zwischen
der Laufbüchse und der Hülse mit dem Kühlwasscrraum des Motors verbinden, und. am
oberen Ende der Laufbüchse sind Bohrungen vorgesehen, durch welche das Kühlmittel
in einen Ringraum oder in Taschen austritt, durch die wiederum ein Überströmen des
Kühlmittels in den Zylinderkopf ermöglicht ist. Die Laufbüchse wird somit zwangsweise
ringsherum und auf ihrer gesamten Länge gleichmäßig von der Kühlflüssigkeit bei
hoher Geschwindigkeit durchströmt.
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Es ist zwar bekannt, um den Laufzylinder einer Brennkraftmaschine
herum einen Mantel zu legen, der mit einem Stoff gefüllt ist, welcher bei atmosphärischer
Temperatur fest, bei Betriebstemperatur des Motors dagegen flüssig ist. Bei einer
bekannten Anordnung dieser Art ist der den Laufzylinder umgebende Mantel von Kühlschlangen
durchsetzt, durch die Luft als Kühlmittel hindurchgeführt wird. Diese Art Wärmeaustausch
zwischen einer hochsiedenden Flüssigkeit und einem Kühlmittel würde sieh für die
erfindungsgemäße Anordnung nicht eignen, weil dann die federnde Hülse an vielen
Stellen in zahlreicher Weise unterbrochen werden müßte, was ihrem Federungswert
abträglich sein würde.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigt Fig. i einen Längsschnitt durch einen Brennkraftmaschinenzylinder mit eingesetzter
Laufbüchse, auf welche die erfindungsgemäße Hülse im Schiebesitz aufgeschoben ist,
Fig. 2 einen Längsschnitt ähnlich Fig. i, jedoch mit einer Hülse, die zwischen sich
und der Laufbüchse einen Zwischenraum begrenzt, der mit hochsiedender Flüssigkeit
gefüllt ist, Fig. 3 einen teils im Schnitt in Ansicht dargestellten Brennkraftmaschinenzylinder
mit darin eingesetzter Laufbüchse, auf welche die erfindungsgemäße Hülse so aufgeschoben
ist, daß dadurch im wesentlichen getrennte, jedoch unter sich verbundene Kühlräume
gebildet werden, durch die ein Kühlmittelkreislauf geführt wird.
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Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern benannt.
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In sämtlichen Ausführungsformen ist i der obere Bund der Zylinderlaufbüchse
2, während die Kopfplatte des Zylinderblockes mit 3 bezeichnet ist. Die Laufbüchse
:2 ist von der Hülse q. umgeben, auf die sich der Bund i der Zylinderlaufbüchse
abstützt; die Laufbüchse ist weiterhin in den dargestellten
Ausführungsbeispielen
mit ihrem unteren Ende jeweils am Auflagering 5, welcher die Dichtringe 6 enthält,
geführt. Der Auflagering 5 kann auch gesondert im Zylinderblock angeordnet sein.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. i ist die Hülse 4 mit Schiebesitz
auf die Laufbüchse :2 aufgeschoben und außerhalb der Hülse um diese herum in dem
von der Laufbüchse und dem Zylindermantel begrenzten Raum 8" ein Kühlm.ittelumlauf
vorgesehen, der als solcher in der Zeichnung nicht weiter veranschaulicht ist. Als
umlaufende Kühlflüssigkeit wird vorzugsweise Wasser verwendet. Die Laufbüchse :2
ist an ihrem oberen Bund in der Kopfplatte 3 mit enger Fassung geführt. Die Hülse
4 weist zweckmäßige-rwe.ise einen Federungswert auf, der bei Auflage des Zylinderkopfes
auf der Blockoberkante einen solchen Druck auf die Dichtfläche erzeugt, daß die
erforderliche Vorspannung auf die Dichtfläche entsteht und. daß bei dieser Vorspannung
der Federungswert der Hülse wesentlich größer ist als der Federungswert der Verbindung
Zylinderkopf-Kopfplatte des Zylinderblockes.
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In Fig. 2 ist die Hülse ,4. so angeordnet, daß einerseits zwischen
derselben und der Laufbüchse 2 der geschlossene Raum 8b und andererseits zwischen
der Laufbüchse 2 und dem Zylindermantel der Raum 8a gebildet wird. Der Raum 8b ist
dabei mit einer hochsiedenden Flüssigkeit gefüllt, während der Raum 8a für den (in
der Zeichnung nicht weiter veranschaulichten) Umlauf des Kühlmittels, z. B. Wasser,
um die Hülse 4 herum dient.
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In Fäg. 3 ist die Hülse 4 gleichfalls so angeordnet, daß wieder die
Räume 8a, 8b gebildet werden. Diese Räume sind jedoch unter sich verbunden, und
zwar so, daß das jetzt beide Kühlräume durchfließende Kühlmittel, z. B. Wasser,
vom Raum 8a her durch Bohrungen 7 in den Raum.8b eintritt und aus dem letzteren
durch Bohrungen 9 wieder austritt, wobei es in die Taschen io gelangt und "dann
durch die Bohrungen i i nach dem Zylinderkopf weitergeführt wird. In dieser Figur
ist auch gezeigt, daß der Kühlmittelstrom in waagerechter Richtung geführt werden
kann; hierzu dienen die Wulste 12 und das Fenster 13 in der Hülse 4, durch welch
letzteres die Kühlflüssigkeit ebenfalls in den Zylinderraum 8b eintreten kann.
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Zu den nachfolgenden Ansprüchen. wird bemerkt, daß für die Gegenstände
der Patentansprüche 2 oder 3 ein vom Hauptgedanken der Erfindung (Anspruch i) losgelöster
Schutz nicht begehrt ist.